Éliminer le fumier avec une électrode spéciale promet une méthode efficace pour produire des engrais et d'autres produits chimiques

Une équipe interdisciplinaire dirigée par des scientifiques de l'Université du Wisconsin-Madison a développé une nouvelle technique qui pourrait aider les agriculteurs à extraire des nutriments utiles tels que l'ammoniac et le potassium du fumier du bétail pour fabriquer efficacement des engrais et d'autres produits chimiques utiles.

Même si la stratégie doit encore être étendue au-delà du stade de validation de principe, les analyses préliminaires du groupe montrent qu'elle pourrait offrir des avantages considérables en réduisant la pollution de l'eau et de l'air tout en créant simultanément des produits que les agriculteurs pourraient utiliser ou vendre.

Le fumier pue en partie parce qu’il contient de l’ammoniac, l’un des plus de 300 composés qui contribuent à son odeur. Le gaz âcre n’est pas seulement un polluant atmosphérique nocif, il peut également se transformer en oxyde d’azote, gaz à effet de serre, et en nitrate, polluant l’eau.

L’ammoniac est également à la base de nombreux engrais azotés qui ont alimenté la production agricole moderne. La méthode industrielle de fabrication d'ammoniac pour les engrais à base d'azote, le procédé Haber-Bosch, consomme beaucoup d'énergie et émet chaque année des centaines de millions de tonnes de gaz à effet de serre.

Bien que le fumier lui-même puisse être utilisé comme engrais, cela peut être coûteux, difficile sur le plan logistique et présenter des inconvénients environnementaux. Ainsi, les chercheurs du monde entier recherchent des stratégies pour récupérer efficacement l’ammoniac du fumier, créant ainsi des engrais plus concentrés et plus précieux, plus écologiques et plus abordables à transporter.

Parmi ces stratégies figurent les procédés chimiques alimentés par l’électricité, qui devient de plus en plus bon marché dans de nombreuses communautés rurales grâce à la production croissante d’énergie solaire et éolienne. Cependant, la plupart des techniques électrochimiques en cours de développement ne sont pas encore pratiques, principalement parce qu'elles consomment beaucoup d'énergie et ne sont pas assez efficaces pour extraire l'ammoniac dissous (sous forme d'ions ammonium) du fumier.

Cette nouvelle technique, décrite dans un article du 8 décembre publié dans la revue Durabilité de la naturerepose sur une électrode spécialement conçue, comme celles utilisées pour les batteries, qui cible les ions ammonium.

La technique implique une électrode à base de nickel placée directement dans les eaux usées du fumier. Comme la matière organique présente dans le fumier est naturellement oxydée par l'électrode, les ions ammonium ainsi que les ions potassium contenus dans les eaux usées sont sélectivement entraînés et capturés par l'électrode.

La stratégie ne se limite pas à simplement éliminer les nutriments des eaux usées.

Dans le cadre d'une étape innovante qui pourrait contribuer à rendre le processus encore plus attractif, l'électrode chargée en nutriments est ensuite placée dans un appareil qui utilise l'électricité pour libérer les ions ammonium et potassium récupérés, qui peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer des engrais à base d'azote et de potassium. , et produisent simultanément d’autres produits chimiques utiles. Ceux-ci pourraient inclure de l’hydrogène ou du peroxyde d’hydrogène, qui est couramment utilisé pour la désinfection.

“Nous avons eu de la chance parce que la nature fait une grande partie du travail à notre place”, déclare Song Jin, professeur de chimie à l'UW-Madison, qui a dirigé les travaux avec le doctorant Rui Wang et le professeur de génie civil et environnemental Mohan Qin.

“Le fumier contient tout cela et nous n'avons pas besoin de faire trop de travail supplémentaire”, explique Jin. “Le matériau de la batterie entre et l'ammoniac est aspiré lorsque la matière organique est oxydée.”

Des essais avec de petites quantités de fumier ont permis de récupérer plus de la moitié de l'ammoniac lors du premier passage, avec une récupération d'environ 85 % après deux cycles.

La capacité de produire ensemble des engrais et d’autres produits chimiques est un élément clé qui explique pourquoi l’équipe pense que sa stratégie pourrait être gagnante. Une analyse environnementale menée par Rebecca Larson, professeur à l'Institut d'études environnementales de Nelson, indique qu'une exploitation laitière de 1 000 têtes pourrait réduire ses émissions d'ammoniac de plus de 50 % en déployant le système, tout en réduisant considérablement la quantité de nitrate. pénétrant dans les eaux voisines.

Parallèlement, une analyse technico-économique préliminaire menée par le professeur Fikile Brushett, collaborateur du Massachusetts Institute of Technology, montre qu'une ferme laitière modèle utilisant le système pourrait s'attendre à ce que les revenus qui en résultent soient supérieurs aux coûts d'exploitation, à condition que les prix de l'électricité ne soient pas exorbitants. .

Les prochaines étapes comprennent l'amélioration des matériaux et des processus, la mise à l'échelle du système et l'étude de son fonctionnement à un niveau qui ressemble davantage à une exploitation d'élevage réelle. Jin est optimiste quant au fait que les avantages du système continueront à dépasser les coûts potentiels à ces plus grandes échelles, compte tenu des analyses initiales.

“Cela semble en effet prometteur”, déclare Qin. “Il existe un moyen de voir comment cela pourrait vraiment aider dans le monde réel.”